鍛造機(jī)械“大力士”

最近熱映的《環(huán)太平洋》《極樂(lè)空間》等美國(guó)科幻大片中有個(gè)共同的亮點(diǎn)，就是運(yùn)用光影結(jié)合，甚至3D視覺(jué)的沖擊下，充分演繹“人機(jī)合體術(shù)”所向披靡、無(wú)堅(jiān)不摧的魄力，令觀眾對(duì)其中的超級(jí)機(jī)器人嘆為觀止。

欣賞之余，人們不禁好奇，現(xiàn)在日新月異的科學(xué)技術(shù)將如何為鍛造“大力士”超級(jí)機(jī)器人鋪平道路呢？

人造肌肉獲進(jìn)展

在現(xiàn)實(shí)生活中，我們已經(jīng)能夠感受到類(lèi)似人機(jī)合體的初步體驗(yàn)。比如當(dāng)人們自駕時(shí)，能夠體會(huì)到與汽車(chē)、小型汽艇、飛機(jī)合二為一的輕松之感；在建筑工地上，起重機(jī)將操作員肢體的力量增強(qiáng)了許多倍；心臟起搏器、耳蝸助聽(tīng)器、金屬骨骼等也早被植入人體內(nèi)，輔助加強(qiáng)相關(guān)機(jī)能。當(dāng)然，這些與科幻作品中的“人機(jī)合體”相比還有著質(zhì)的差異，但也足以說(shuō)明“人機(jī)合體術(shù)”并非空穴來(lái)風(fēng)、無(wú)源之水。

人造肌肉在機(jī)器人技術(shù)發(fā)展中至關(guān)重要。其研究始于20世紀(jì)40年代，但真正取得進(jìn)展則是最近十余年，這是由于特殊聚合體材料和智能材料的誕生，例如電活化聚合物EPAs，為研究提供了新的發(fā)展契機(jī)。這些新材料往往具有一些不同凡響的本領(lǐng)，有的可以根據(jù)電流變化呈現(xiàn)出各種復(fù)雜的狀態(tài)，如彎曲、延伸、扭動(dòng)和收縮等，并且其行為非常接近真正的肌肉纖維。

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，新加坡國(guó)立大學(xué)（NUS）工程學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建出高效的人工或“機(jī)械”肌肉，可以舉起超過(guò)自身體重80倍的重量，以及能夠在其承載負(fù)荷時(shí)延展至原來(lái)長(zhǎng)度的5倍。此外，這種新型人造肌肉可以潛在地轉(zhuǎn)換并儲(chǔ)存能量，在短時(shí)間的充電后幫助機(jī)器人激活自身。

顯然，這樣的發(fā)明將為建造超人實(shí)力和能力、栩栩如生的機(jī)器人夯實(shí)基礎(chǔ)。

如何突破局限性

目前，無(wú)論機(jī)器人多么智能化，都會(huì)受其肌肉力量的限制，只能夠舉起自身重量的一半負(fù)載，約相當(dāng)于人類(lèi)的平均強(qiáng)度（盡管有些人可以舉起超過(guò)其體重高達(dá)3倍的負(fù)載）。已知的是人造肌肉在同樣的壓力下只可以延伸到其原始長(zhǎng)度的三倍。而肌肉擴(kuò)展的程度對(duì)于肌肉效率而言是一個(gè)有意義的因素，因?yàn)檫@意味著在搬運(yùn)重物時(shí)可以執(zhí)行更廣泛的操作范圍。

自2012年7月以來(lái)，NUS工程科學(xué)計(jì)劃和土木及環(huán)境工程學(xué)系的阿德里安博士帶領(lǐng)一支多學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)和創(chuàng)建新的超級(jí)人工肌肉。他介紹說(shuō)：“我們的材料模仿人類(lèi)的肌肉，快速響應(yīng)的電脈沖以急動(dòng)的方式移動(dòng)機(jī)器人，而不是慢慢地由以往采用的液壓技術(shù)驅(qū)動(dòng)作用機(jī)制。想像一下，這種人工肌肉在幾分之一秒內(nèi)的反應(yīng)是柔韌的、可擴(kuò)展的，猶如一個(gè)人的舉動(dòng)。配備了這樣肌肉的機(jī)器人將能夠以更人性化的方式運(yùn)作，但在力量上卻要?jiǎng)龠^(guò)人類(lèi)。”

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，阿德里安及其團(tuán)隊(duì)使用可拉伸的聚合物，延展至超過(guò)自身原始長(zhǎng)度的10倍以上。阿德里安補(bǔ)充說(shuō)，一個(gè)良好的理解基礎(chǔ)，在很大程度上是其成功的原因。去年，他們?cè)诶碚撋嫌?jì)算出電脈沖驅(qū)動(dòng)的聚合物肌肉可能有1000%的應(yīng)變位移，可舉起達(dá)自身重量500倍的負(fù)荷，所以他們?cè)诔@個(gè)方向努力，不管當(dāng)初這聽(tīng)起來(lái)有多么的不可思議。

“綠色”機(jī)器人

現(xiàn)有的機(jī)器人或機(jī)械手臂受到能量限制，只能在電源附近活動(dòng)。因此，研究人員一直希望能研發(fā)出一種能像人類(lèi)一樣自由活動(dòng)、而且自身可以供應(yīng)能量的新型裝置，即“綠色”機(jī)器人。

阿德里安說(shuō)：“這種新型肌肉，不只是強(qiáng)壯和反應(yīng)靈敏，其動(dòng)作能產(chǎn)生一種副產(chǎn)品——能量，當(dāng)肌肉收縮和擴(kuò)張時(shí)，能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，由于這種材料的性質(zhì)，它能夠?qū)⒋罅磕芰啃罘e于一個(gè)小包裹里。計(jì)算顯示，如果一個(gè)由這些軟質(zhì)材料構(gòu)建成的發(fā)電機(jī)，一個(gè)10公斤的系統(tǒng)能夠生產(chǎn)出相當(dāng)于1噸電渦輪的能量。”

這意味著，所產(chǎn)生的能量可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人在短時(shí)間內(nèi)充電后自供電，耗時(shí)預(yù)計(jì)不到一分鐘。

阿德里安說(shuō)：“未來(lái)仍然要在研究中加強(qiáng)這種肌肉，希望在三到五年內(nèi)能夠做出一個(gè)機(jī)械臂，大約是人類(lèi)手臂的一半尺寸和重量，能夠與人類(lèi)角力，并且贏得勝利。”

2013年6月，在瑞士蘇黎世舉行的第三屆機(jī)電活性聚合物傳感器和人工肌肉國(guó)際會(huì)議上，由于阿德里安的貢獻(xiàn)，他被授予“前途遠(yuǎn)大的國(guó)際研究員獎(jiǎng)”。

完成不可能之任務(wù)

人造肌肉的服務(wù)對(duì)象不僅僅是人類(lèi)本身。研究人員介紹，人造肌肉還能成為機(jī)器人、飛機(jī)、海洋艦隊(duì)等的幫手。

阿德里安說(shuō)：“想想當(dāng)起重機(jī)配備上這樣的肌肉，將會(huì)如何高效地工作。”該研究小組計(jì)劃進(jìn)一步與來(lái)自材料科學(xué)、機(jī)械工程、電子與計(jì)算機(jī)工程以及生物工程的研究人員一起，創(chuàng)建在功能和外觀上都更酷似人類(lèi)的機(jī)器人及其四肢。

強(qiáng)大的人造肌肉不僅可以用于機(jī)器人，還有多種用途。按照研究人員的設(shè)想，仿生肌肉研制成功后，將能完成人類(lèi)和機(jī)器人各自無(wú)法獨(dú)立做到的事情。它能像人類(lèi)一樣到處行動(dòng)；像自然手臂一樣靈活運(yùn)用；“綁”在“外骨骼”上，使消防員、士兵和宇航員等特殊行業(yè)的人擁有超人般的力量。有了它，也許消防員就可用一只手撐起倒塌的建筑材料，而戰(zhàn)場(chǎng)上的士兵也可以變成不知疲倦的“超人”。

隨著一系列研究探索推動(dòng)人造肌肉技術(shù)的不斷革新，相信“大力士”超級(jí)機(jī)器人正在向我們走來(lái)。